Туннельный (зенеровский) пробой

При наличии в полупроводнике электрического поля положение энергетических уровней определяется разностью

W – qφ,

где q- величина заряда ( как «+» так и «-» ),

φ – потенциал поля.

Как q так и φ с расстоянием изменяются.

Поэтому при изображении энергетической диаграммы, рис.3.16, для области, где существует электрическое поле, энергетические уровни и зоны получаются наклонными, причем угловой коэффициент пропорционален напряженности электрического поля с учетом принятых по осям масштабов, а относительное смещение соответствующих уровней или зон — разности потенциалов между данными точками объема полупроводника.

Рис. 3.16. Энергетическая диаграмма полупроводника при

наличии в нем электрического поля напряженностью Е и

разности потенциалов между точками 1 и 2, равной φ_12.

При этом угол наклона тем больше, чем больше концентрация носителей (область объемного заряда меньше, а степень его уменьшения выше).

Туннельный (зенеровский) пробой является результатом непосредственного воздействия сильного электрического поля на кристаллическую решетку полупроводника.

Туннельный эффект в полупроводниках проявляется при очень больших напряженностях электрического поля: в кремнии при Е ≈ 10⁸ В/м, в германии — Е ≈ 10⁷ В/м.

Различие значений напряженностей электрического поля, при которых в разных материалах проявляется туннельный эффект, объясняется разной шириной запрещенной зоны: чем больше ширина запрещенной зоны, тем при больших значениях напряженности электрического поля проявляется (возможен) туннельный эффект.

Рис. 3.17. Туннельный пробой:

а — зонная диаграмма;
б — обратная ветвь ВАХ диода в режиме пробоя

Вероятность перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости и, наоборот, из зоны проводимости в валентную зону одна и та же. Но переход электронов из валентной зоны преобладает, поскольку их там значительно больше, чем в зоне проводимости. Поэтому концентрация свободных носителей заряда при туннельном эффекте растет.

Так как вероятность туннелирования сильно зависит от напряженности электрического поля, то внешне туннельный эффект проявляется как пробой перехода.

Для германиевых и кремниевых переходов напряжение туннельного пробоя может быть рассчитано по следующим формулам (для удельных сопротивлений порядка сотых долей ом^.см):

U_z.Ge = 190^.ρ_n + 94^.ρ_p,

U_z.Si = 200^.ρ_n + 73^.ρ_p. (3.29)

Здесь ρ_n и ρ_p — удельные сопротивления электронной и дырочной областей соответственно.

Из приведенных зависимостей следует, что при туннельном пробое пробивное напряжение обратно пропорционально концентрации примесей.

С повышением температуры у большинства полупроводников ширина запрещенной зоны уменьшается, что приводит к увеличению вероятности туннелирования и снижению пробивного напряжения.

Туннельный пробой может происходить только в электронно-дырочных переходах, изготовленных в полупроводниках с большой концентрацией примесей, так как для туннелирования необходима малая толщина потенциального барьера и, следовательно, малая ширина перехода. При малой ширине перехода пробивные напряжения его оказываются также малыми.

Результаты экспериментальных исследований показывают, что как у сплавных, так и у диффузионных германиевых и кремниевых переходов туннельный пробой наблюдается в основном при удельных сопротивлениях менее 0,1 ом·см. Напряжения туннельного пробоя составляют при этом менее 2 В для германиевых и менее 5 В для кремниевых переходов.

Явление туннельного пробоя используют для стабилизации постоянного напряжения, поскольку в области пробоя при незначительных изменениях напряжения наблюдаются сильные изменения тока (и наоборот, при значительных изменениях тока напряжение практически остается постоянным). Такие переходы составляют основу полупроводниковых стабилитронов.